基于损伤力学的砂岩蠕变模型研究与参数辨识

在Burgers模型的基础上,应用损伤力学的原理,通过引入3种不同的损伤变量演化规律,建立了改进Kachanov蠕变损伤模型、应变控制蠕变损伤模型和统计损伤模型,模拟向家坝砂岩三轴蠕变试验,并进行模型参数辨识及参数敏感性分析.3种蠕变损伤本构模型都能够较好地模拟蠕变全过程曲线,且各模型对曲线的模拟有着各自的特点.对比分析各个蠕变损伤模型,说明了提出的3种蠕变损伤本构模型都能够很好地反映砂岩的流变特性,但相比而言统计蠕变损伤模型更具有优势.本文研究为岩石工程的长期稳定性分析提供了理论参考.     

煤岩非线性损伤蠕变模型探析

为了研究煤岩蠕变特性,分析前人煤岩蠕变特性实验结果,在广义Kelvin模型的基础上建立了煤岩非线性损伤蠕变理论模型。假定煤岩损伤演化是应力和时间的函数,同时引入非线性硬化函数推导了煤岩非线性损伤衰减蠕变方程和蠕变全过程方程。任意给定方程中材料参数和加载条件,理论得到了煤岩衰减蠕变和蠕变全过程随时间变化曲线,对比前人煤岩蠕变实验结果,验证了用理论模型去研究煤岩的蠕变特性是可行的。     

岩石试件非线性蠕变模型及其参数确定

以改进的西原模型为基础，结合岩石的应力应变特征，对模型中的粘滞系数进行了改进，推导出的蠕变方程可描述岩石第三阶段的蠕变特性，同时对蠕变模型中的参数进行了确定；并运用MATLAB程序，结合实例作出改进蠕变方程的曲线及蠕变曲面并与通过实验所得曲线进行比较，改进的蠕变方程更能反映岩石的第三阶段蠕变变形。     

流变损伤模型及其应用

从损伤角度研究岩石在拉压作用下变形破坏的非线性流变特征,基于对岩石损伤变形的分析,建立流变损伤本构方程,并通过拉伸模拟计算及围岩损伤计算分析验证,应用损伤模型。     

一种描述胶凝原油蠕变全程的损伤模型

根据统计力学原理,将连续损伤因子引入到虎克体中,得到与损伤耦合的非线性虎克体的本构方程,将得到的非线性虎克体模型与含有塑性体的NVPB模型串联,得到一个新的描述胶凝原油加速蠕变阶段的模型,编制拟合函数对试验数据进行拟合。对不同结构强度的胶凝原油蠕变过程进行拟合,分析模型中参数的变化规律及其实际物理意义。结果表明:该模型可以较为精确地描述胶凝原油非线性黏弹塑性剪切流变全程曲线;新模型结构简单、物理意义明确、精度高。     

炉管蠕变损伤的随机计算模型

炉管服役寿命的预测问题一直受到人们关注。由于蠕变问题的随机性研究较困难,过去的研究主要集中在确定性蠕变损伤问题上。本文提出了新的蠕变损伤随机计算模型。通过Monte-Carlo 方法与蠕变损伤随机计算模型结果的比较,验证了蠕变损伤随机计算模型的正确。蠕变损伤随机性的描述为今后炉管蠕变损伤可靠性的评估奠定了基础。     

考虑加速蠕变的岩石蠕变过程损伤模拟方法

针对岩石蠕变的阶段性特征,在深入研究岩石蠕变力学机理基础上,将岩石蠕变过程视为线性与非线性蠕变过程的迭加,通过引入损伤理论和Kachanov损伤演化规律,构建出可反映岩石非线性蠕变过程即加速蠕变过程特征的弹塑性损伤体元件模型,将其与可较好地反映岩石线性蠕变过程即减速蠕变过程特征的Kelvin元件模型进行串联复合,建立出可反映岩石蠕变全过程尤其是加速蠕变特点的岩石蠕变模型,并提出了简单可行的模型参数确定方法,从而建立出岩石蠕变全过程的新型模拟方法;该模型或方法不仅能较好地模拟岩石从减速到加速的蠕变全过程,而且,模型参数少,易于确定.最后,通过理论与实测曲线的对比分析,表明了该模型的合理性与可行性.     

豫南燕山期花岗岩蠕变特性及非线性蠕变损伤模型

豫南信阳地区燕山期高钾钙碱性I型花岗岩分布广泛,岩石性质对深埋地下洞室围岩开挖及支护设计具有重要影响。以豫南某大型水电站地下厂房区花岗岩为研究对象,在对其地质分布情况及矿物成分调查测试基础上,进行三轴压缩蠕变试验,揭示了围岩蠕变特性及加载过程中的损伤演化性质,采用等时曲线法进行花岗岩蠕变长期强度分析。考虑蠕变过程中岩石发生的损伤累积,建立变黏性系数的黏壶元件,并代替传统西原正夫模型中Newton黏壶,构建了能够描述加速蠕变阶段的蠕变损伤模型。结果表明：在整个蠕变过程中,花岗岩的总变形量以瞬时弹性变形为主,最终的蠕变破坏表现出脆性剪切破坏的特征;围压对剪切裂缝的扩展具有主要抑制作用;长期强度随围压增大而减小,与常规三轴试验结果相比,长期强度分别下降6.37%和21.0%;采用Levenberg-Marquardt优化算法+通用全局优化算法对非线性蠕变损伤模型进行参数辨识及拟合,理论值与试验值吻合较好,验证了非线性蠕变损伤模型对于岩石全过程蠕变特征描述的合理性及适用性。研究成果对保障豫南燕山期花岗岩地区的工程建设优化设计和安全建设具有重要意义。     

基于互层岩体的非定常黏弹塑性蠕变模型及有限元分析

为研究互层岩体在考虑时效变形作用时的蠕变特性,提出了一种考虑应力、应变阈值的非定常黏弹塑性五元件模型。该模型能够同时描述岩体的瞬时弹性应变、黏弹性蠕变、线性黏塑性蠕变和非线性黏塑性蠕变（加速蠕变）,推导得出了其在三维应力状态下的蠕变方程;基于ABAQUS有限元软件完成了UMAT子程序的研发,并通过对比岩体的室内蠕变试验与该模型数值模拟结果来验证模型的适用性。结果表明：蠕变试验结果与数值计算结果相吻合,非定常黏弹塑性模型不仅可以精确描述减速蠕变和稳态蠕变过程,还可以较好地描述岩体的加速蠕变过程,从而验证了该模型的适用性与有效性。     

改进的Poyting-Thomson岩石损伤蠕变模型研究

针对经典的Poyting-Thomson模型不能描述岩石非线性特征尤为明显的加速蠕变阶段的不足,考虑岩石在蠕变变形过程中裂隙演化损伤过程,基于Kachanov损伤率公式,推导了损伤变量在加速蠕变阶段随应力和时间的演化方程,并根据Lemaitre应变等效原理将黏塑性体中的无损模型参数用有效模型参数代替,来表征岩石加速蠕变阶段的非线性特征;然后将损伤黏塑性体与经典的Poyting-Thomson模型串联,从而建立改进的Poyting-Thomson岩石蠕变模型。采用砂岩、泥质页岩、橄榄岩和粉砂岩压缩蠕变试验结果对改进的Poyting-Thomson岩石蠕变模型的合理性和精确性进行验证。结果表明：改进的Poyting-Thomson岩石蠕变模型理论曲线与试验曲线基本吻合,该模型不仅能反映四种岩石的衰减蠕变阶段和等速蠕变阶段,而且能准确描述其加速蠕变阶段,拟合相关系数均在0.99以上,其合理性和精确性得到验证。     

蠕变试验中流变模型辨识及参数确定

对岩石流变性态作了全面分析，提出了能描述岩石最复杂流变性态的流变模型，介绍了用不同应力水平下的蠕变试验加载卸载曲线辨识各种流变模型及其参数的方法。     

基于改进PSO算法的岩石蠕变模型参数辨识

微粒群优化(PSO)算法是一类随机全局优化技术,具有收敛速度快、规则简单、易于实现的优点.针对岩石蠕变本构模型参数的辨识问题,本文利用FLAC软件自带的fish语言实现了改进PSO算法对本构模型参数的辨识.该方法从岩石本构模型参数的随机值出发,以蠕变过程中试件变形的实验值与计算值的误差大小作为适应度函数来评价参数的品质,利用改进PSO算法规则实现模型参数的进化,搜索出全局最优的模型参数值,从而实现了岩石蠕变本构模型参数的自适应辨识.利用该方法对页岩蠕变实验进行了仿真研究,实验结果表明:改进的PSO算法用于岩石蠕变模型的参数辨识是有效的.     

基于Z参数和可靠度的蠕变损伤模型

基于Z参数和可靠性评估研究了蠕变损伤,提出利用Robinson法则评估的蠕变损伤与可靠度密切相关.对5Cr-0.5Mo和HK40两种材料蠕变断裂数据的分析表明:由于蠕变数据的偏差可用Z参数来表征,且Z参数服从正态分布,可以把可靠度和蠕变损伤关联起来.给出了两种材料在不同可靠度下的损伤程度,并与实际服役管段的数据进行了比较.结果表明,在一定温度和应力下,可靠度越大,蠕变损伤积累值也就越大.而且,不同服役时间的实验数据点和预测的损伤积累线吻合较好.     

基于西原体模型的非定常岩石蠕变模型

为了能反映岩石稳定蠕变阶段力学参数的非线性和准确模拟岩石加速蠕变变形,通过将非线性函数引入Kelvin模型和构建一个关于蠕变破坏时间的损伤黏性元件进而得到一个非线性损伤西原体模型;基于塑性力学理论,推导了该模型的本构方程、一维和三维蠕变方程;引入蠕变试验数据验证该模型并对模型参数进行分析。结果表明该模型对不同形式的岩石蠕变曲线都能较好的模拟,模型参数可以表征岩石蠕变的非线性特征,可为蠕变模型的研究提供一定的参考。     

沥青混合料非线性蠕变模型及其参数确定

根据沥青混合料3阶段的蠕变特性和混合料全过程应力-应变曲线,对Burgers模型中的粘弹性弹簧进行改进,认为其弹性模量随应变增大而减小;推导了非线性蠕变模型的本构方程,给出了蠕变应变、蠕变速度和蠕变加速度的解析表达式;进行了模型稳定性分析,给出了模型稳定条件和蠕变破坏时间的定义;运用最小二乘法原理,建立了模型参数的确定方法;最后通过两个实例验证了模型的准确性和适用性.研究结果表明,非线性蠕变模型较好地反映了沥青混合料3阶段的蠕变过程,蠕变破坏时间也可作为研究沥青混合料蠕变性能的一个新指标.     

基于蠕变损伤耦合的海底开采点柱稳定性分析

 针对海底金属矿开采过程中采场留设点柱的稳定性问题,采用损伤统计本构理论,在西原模型的基础上提出一种参数获取相对简单的三维非线性蠕变损伤模型,并给出由稳态蠕变向加速蠕变过渡的判定方法.利用ANASYS 数值软件分析了三山岛金矿新立矿区海底点柱式充填采矿法矿房的应力分布,并应用三维非线性蠕变损伤模型对点柱稳定性进行了黏弹塑性损伤分析和渗流分析.该模型充分考虑了岩石的基本力学参数和工程地质调查结果,可推广至其他流变物理模型,对于大型岩土工程的蠕变渗流分析具有较强的适应性.     

大理岩结构面非线性蠕变损伤本构模型研究

针对锦屏二级水电站地下洞室群围岩富含节理的情况,对主要围岩大理岩进行含软弱夹层的剪切蠕变试验,结果表明在应力水平较低时,蠕变变形主要有瞬时弹性变形和黏弹性变形组成,当应力水平较高时,蠕变变形主要有瞬时弹性变形,黏弹性变形和黏塑性变形组成。在广义开尔文模型基础上增加一非线性项,来描述衰减蠕变阶段和稳定蠕变阶段;根据加速蠕变阶段岩石的损伤特性,选取基于应力水平和时间因素的损伤变量,建立了岩石非线性蠕变损伤本构模型,并通过试验结果对该模型进行参数辨识,验证了该模型的正确性和合理性。然后,分别利用该模型和西原(Nishiharamodel)模型对加速蠕变阶段进行拟合,结果表明提出的模型能很好地描述加速蠕变阶段,克服了西原模型的不足。     

磁流变阻尼器的Bingham模型及其Simulink仿真分析

自1972年J.T.P.Yao(瑶治平)提出土木工程界的结构振动控制以来,结构保护系统受到了广大研究者的普遍关注,这种保护系统可以用来降低自然灾害对土木工程建筑的损害,由于磁流变阻尼嚣结构简单、动态范围大、能耗低、出力大、鲁棒性良好,能够满足不同工程项目需求的同时还提供有效的结构抗震抗风手段,目前它是一种非常有前途的丰主动结构减震装置,本文首先介绍了磁流变液和阻尼嚣的特性和优点,然后详细介绍了磁流变阻尼器的Bingham模型以及Simdink的强大功能,并在Simulink中进行Bingham模型的仿真分析,得出一些有益结论.     

沥青混合料损伤蠕变模型试验研究

在三元件黏弹性模型基础上耦合一个连续性损伤因子,构建一个能够描述沥青混合料三阶段蠕变全过程的损伤蠕变模型。综合考虑黏弹性特性与损伤机制,推导了该模型的本构方程,分析了沥青混合料的蠕变特性。通过沥青混合料在不同应力水平下的单轴压缩蠕变实验,编制非线性拟合程序,得到模型参数和损伤演化曲线。将不同应力条件下模型预测值与实验结果进行对比,结果表明,该模型能准确反映不同应力水平下沥青混合料蠕变过程三个阶段的特征和进入破坏阶段的临界时间。